Der Betrieb eines Kernkraftwerks ähnelt dem jedes anderen thermischen Kraftwerks. Eigentlich ist ein Kernkraftwerk eine Art Wärmekraftwerk, dessen Funktion es ist, elektrische Energie zu erzeugen.
Es gibt verschiedene Arten von Kraftwerken, aber das Funktionsprinzip ist wie folgt:
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Erzeugen Sie Kernreaktionen, um thermische Energie zu erhalten.
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Mit thermischer Energie Wasserdampf erzeugen.
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Treiben Sie eine Dampfturbine an, um mechanische Energie zu gewinnen.
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Fahren Sie einen elektrischen Generator, um Strom zu bekommen.
Ein Kernkraftwerk ist eine Anlage, in der der gesamte Prozess abläuft. Der wichtigste Unterschied zu den anderen Wärmekraftwerken ist die Art der Gewinnung von Wärmeenergie. In einem Kernkraftwerk erfolgt die Gewinnung von Wärme in Kernreaktoren.
Wärmegewinnung: Was ist eine Kernreaktion?
Eine Kernreaktion ist eine Veränderung im Kern eines Atoms.
Atome bestehen aus einer Kombination von Unterteilchen: Protonen und Neutronen. Diese Subpartikel sind durch Kraftbindungen verbunden, die eine große Energiemenge besitzen.
Wenn diese Bindungen gebrochen werden, entstehen sogenannte Spaltprodukte, die radioaktive Stoffe sind, und die Emission einer beträchtlichen Menge an Energie.
Arten von Kernkraftwerken
Weltweit nutzen 90 % der Kraftwerke Leichtwasserreaktoren. Leichtes Wasser ist fließendes Wasser; in der Kerntechnik heißt es so. Es gibt zwei Arten von Leichtwasserreaktoren:
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Nuklearer Druckwasserreaktor (PWR).
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Siedewasser-Kernreaktor (SWR).
Unter diesen beiden Reaktortypen ist der Druckwasserreaktor der weltweit am weitesten verbreitete.
Wie funktioniert ein Druckwasser-Kernkraftwerk?
Der grundsätzliche Betrieb eines Kernkraftwerks mit Druckwasserreaktor lässt sich in 4 Schritten vereinfachen:
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Gewinnung thermischer Energie durch Kernspaltung des Kerns von Kernbrennstoffatomen.
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Erzeugen Sie Wasserdampf mit der im vorherigen Schritt gewonnenen Wärmeenergie.
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Treiben Sie mit dem gewonnenen Wasserdampf eine Reihe von Turbinen an.
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Nutzung der mechanischen Energie der Turbinen zum Antrieb eines elektrischen Generators zur Stromerzeugung.
Aus physikalischer Sicht werden mehrere Energieänderungen beobachtet:
Zunächst haben wir Kernenergie (diejenige, die die Kerne der Atome zusammenhält). Anschließend wird es beim Bruch in thermische Energie umgewandelt, die zur Dampferzeugung genutzt wird.
Die Wärmeenergie wird zur inneren Energie des Wassers (jetzt Dampf). Durch den Antrieb der Turbine wird die innere Energie und Wärmeenergie des Wassers in Bewegungsenergie umgewandelt.
Schließlich wandelt der Generator die Bewegungsenergie in elektrische Energie um.
Wasserkreisläufe
Kernkraftwerke, die mit einem Druckwasserreaktor arbeiten, haben zwei Wasserkreisläufe:
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Der Primärkreislauf, der durch den Reaktor führt.
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Der Sekundärkreislauf, der durch die Dampfturbinen führt.
Im Primärkreislauf steht das Wasser unter hohem Druck. Beim Durchgang durch den Reaktor nimmt das Wasser eine sehr hohe Temperatur an und der Druck verhindert, dass es vergast.
Der Sekundärkreislauf ist ebenfalls geschlossen. Das Wasser in diesem Kreislauf wird erhitzt, da es in thermischem Kontakt mit dem Primärkreislauf steht, um es in Dampf umzuwandeln und die Turbine anzutreiben.
Schließlich wird es gekühlt, indem es in thermischem Kontakt mit einer externen Wasserquelle steht.
Was passiert im Kernreaktor?
Der Kernreaktor ist der empfindlichste und wichtigste Teil der Anlage.
Der Reaktor ist für die Umwandlung von Kernenergie in thermische Energie zuständig. Darin befinden sich Kernbrennstäbe, die im Allgemeinen aus Uran bestehen, einem sehr instabilen Element im Periodensystem.
Der einfache Aufprall eines Neutrons auf ein Uranatom verursacht dessen Bruch, was zu einer Kernspaltungsreaktion führt. Das Ergebnis jeder Kernspaltung sind zwei Stücke radioaktives Material und ein oder zwei weitere Neutronen. Diese Neutronen können mit Atomen kollidieren und Kettenreaktionen auslösen.
Wenn diese Reaktionen nicht kontrolliert werden, würden immer mehr Reaktionen pro Sekunde auftreten. Die entstehende Hitze wäre so hoch, dass sie nicht mehr gehalten werden könnte und der Reaktor schmilzt. Damit das nicht passiert gibt es Kontrollleisten. Steuerstäbe haben die Fähigkeit, Neutronen anzuziehen.
Das Sicherheitsgebäude ist das Gebäude, in dem sich der Kernreaktor und der Primärkreislauf befinden. Das Containment-Gebäude soll mögliche Explosionen eindämmen und das mögliche Entweichen nuklearer Strahlung nach außen verhindern.
Wie wird der Strom erzeugt?
Wenn der Dampf die Turbine angetrieben hat, hat er einen Großteil seiner Wärmeenergie auf die Turbine übertragen. Die Dampfturbine ist mit einem elektrischen Generator verbunden, um die Kreisbewegung in elektrische Energie umzuwandeln.
Der Dampf, der die Turbine verlässt, hat viel Wärmeenergie verloren, ist aber immer noch sehr heißer Dampf.
Beim Verlassen der Turbine wird der Dampf in einen Kondensationsbehälter geleitet, wo er in thermischem Kontakt mit Kaltwasserleitungen von außen steht. Wenn der Wasserdampf flüssig wird, kehrt er angetrieben durch eine Wasserpumpe zurück in den Reaktor.
Was ist der Rauch, der aus den Schornsteinen von Kernkraftwerken kommt?
Der weiße Rauch, der aus den Schornsteinen von Kernkraftwerken kommt, ist Wasserdampf.
Wenn das kalte Wasser in thermischen Kontakt mit dem aus den Turbinen austretenden Dampf kommt, heizt es sich schnell auf. Durch die Hitze wird ein Teil dieses externen Wassers zu Dampf.
Aus diesem Grund werden Kernkraftwerke immer in der Nähe einer ergiebigen Kaltwasserquelle (Meer, Fluss oder See) installiert.